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MOS晶體管漏電流的6個原因
在討論MOS晶體管時，短溝道器件中基本上有六種類型的泄漏電流分量：
反向偏置-pn結泄漏電流
亞閾值泄漏電流
排水引起的勢壘降低
V個滾降
工作溫度的影響
穿入和穿過柵極氧化物泄漏電流
由于熱載流子從基板注入柵極氧化物而引起的漏電流
柵極引起的漏極降低（GIDL）導致的漏電流
1.反向偏置pn結漏電流
在晶體管工作期間，MOS晶體管中的漏極/源極和襯底結被反向偏置。這導致器件中的反向偏置泄漏電流。該泄漏電流可能是由于反向偏置區域中少數載流子的漂移/擴散以及由于雪崩效應而產生電子-空穴對所致。pn結反向偏置的泄漏電流取決于摻雜濃度和結面積。
對于漏極/源極和襯底區域的重摻雜pn結，帶間隧穿（BTBT）效應主導著反向偏置泄漏電流。在帶間隧穿中，電子直接從p區的價帶隧穿到n區的導帶。BTBT對于大于10 6 V / cm的電場可見。
圖1. MOS晶體管反向偏置pn結中的帶間隧穿。
請注意，在本文的上下文中，我們將隧穿現象定義為即使電子能量遠小于勢壘也要發生的現象。
2.亞閾值泄漏電流
當柵極電壓小于閾值電壓（V th）但大于零時，則認為該晶體管在亞閾值或弱反轉區域中被偏置。在弱反演中，少數載流子的濃度很小，但不為零。在這種情況下，對于| V DS |的典型值| > 0.1V，整個電壓降發生在漏極-襯底pn結兩端。
與Si-SiO 2界面平行的漏極和源極之間的電場分量很小。由于該可忽略的電場，漂移電流可忽略不計，并且次閾值電流主要由擴散電流組成。
排水誘導屏障降低（DIBL）
亞閾值泄漏電流主要是由于漏極引起的勢壘降低或DIBL引起的。在短溝道器件中，漏極和源極的耗盡區彼此相互作用，并減小了源極處的勢壘。然后，該源能夠將電荷載流子注入溝道的表面，從而導致亞閾值泄漏電流。
DIBL在高漏極電壓和短溝道器件中很明顯。
V個輾軋
MOS器件的閾值電壓由于溝道長度的減小而減小。這種現象稱為V th 下降（或閾值電壓下降）。在短溝道器件中，漏極和源極耗盡區進一步進入溝道長度，從而耗盡了一部分溝道。
因此，需要較小的柵極電壓來反轉溝道，從而降低了閾值電壓。對于較高的漏極電壓，這種現象尤為明顯。閾值電壓的減小增加了亞閾值泄漏電流，因為亞閾值電流與閾值電壓成反比。
工作溫度的影響
溫度也是泄漏電流的一部分。閾值電壓隨溫度升高而降低。或者，換句話說，亞閾值電流隨溫度升高而增加。
3.穿入和穿過柵極氧化物泄漏電流
在短溝道器件中，薄的柵極氧化物會在SiO 2層上產生高電場。具有高電場的低氧化物厚度導致電子從襯底到柵極以及從柵極到柵極通過柵極氧化物隧穿，從而產生柵極氧化物隧穿電流。
考慮如下所示的能帶圖。
圖2.具有（a）平坦帶，（b）正柵極電壓和（c）負柵極電壓的MOS晶體管的能帶圖
第一個圖（圖2（a））是一個平帶MOS晶體管，即其中不存在電荷。
當柵極端子為正偏置時，能帶圖會發生變化，如圖2（b）所示。在強烈反轉的表面上的電子隧穿進入或穿過SiO 2層，從而產生柵極電流。
另一方面，當施加負柵極電壓時，來自n +多晶硅柵極的電子隧穿進入或穿過SiO 2層，從而產生柵極電流，如圖2（c）所示。
Fowler-Nordheim隧道和直接隧道
柵極和襯底之間主要有兩種隧穿機制。他們是：
Fowler-Nordheim隧穿，其中電子隧穿穿過三角勢壘
直接隧穿，其中電子通過梯形勢壘隧穿
圖3. 能帶圖顯示（a）通過氧化物的三角勢壘的Fowler-Nordheim隧穿和 （b）通過氧化物的梯形勢壘的直接隧穿
您可以在上面的圖3（a）和3（b）中看到兩種隧穿機制的能帶圖。
4.由于熱載流子從基片注入柵極氧化物而引起的漏電流
在短溝道器件中，襯底-氧化物界面附近的高電場使電子或空穴通電，并且電子或空穴穿過襯底-氧化物界面進入氧化物層。這種現象稱為熱載流子注入。
圖4. 能帶圖描繪了電子由于高電場而獲得了足夠的能量并越過了氧化物勢壘勢（熱載流子注入效應）
這種現象比空穴更可能影響電子。這是因為電子與空穴相比具有較小的有效質量和較小的勢壘高度。
5.由于柵極感應的漏極降低（GIDL）而引起的漏電流
考慮具有p型襯底的NMOS晶體管。當柵極端子處存在負電壓時，正電荷僅在氧化物-襯底界面處積累。由于在襯底上積累的空穴，該表面表現為比襯底更重摻雜的p區域。
這導致沿著漏極-襯底界面的表面處的耗盡區更薄（與本體中的耗盡區的厚度相比）。
圖5. （a） 沿表面在漏極-襯底界面處形成薄耗盡區，以及 （b）由于雪崩效應和BTBT產生的載流子，GIDL電流流動
由于耗盡區較薄且電場較高，因此會發生雪崩效應和帶間隧穿（如本文第一部分所述）。因此，在柵極下方的漏極區域中產生少數載流子，并通過負柵極電壓將其推入襯底。這增加了泄漏電流。
6.穿通效應引起的漏電流
在短通道器件中，由于漏極和源極端子的接近，兩個端子的耗盡區匯聚在一起并最終合并。在這種情況下，據說發生了“穿通”。
穿通效應降低了源頭上大多數載流子的勢壘。這增加了進入襯底的載流子的數量。這些載流子中的一些被漏極收集，其余的則有助于泄漏電流。